Введение к работе
Актуальность темы. Ситаллы - новый класс материалов (ими начали заниматься около 50 лет назад), привлекающий внимание конструкторов, инженеров и научных работников во всем мире. В монографии Макмиллана «Стеклокерамика» 1967 года приведено первое систематическое описание ситаллов и их свойств, в том числе на основе метасиликата лития. Им на смену пришли прозрачные оптические ситаллы на основе алюмосиликатной группы (эвкриптитовые, кордиеритовые, цельзиановые). Результаты испытаний этих материалов свидетельствуют об их превосходстве над многими обычными техническими материалами по твердости, механической прочности, термостойкости. В нашей стране одним из основных направлений в области изучения неорганических стекол являлось исследование новых стеклокристаллических материалов и физико-химических основ катализированной кристаллизации.
В последние годы наблюдается увеличение спроса на универсальные материалы, которые способны выдерживать высокоскоростные механические воздействия (защита от пуль, изготовление абразивного инструмента и т.д.) и конкурировать с более дорогими уже известными керамическими аналогами. Чаще всего для решения этих задач используются ситаллы на основе метасиликата лития или кордиерита, но они уже не способны удовлетворить возросшие требования по механической прочности, твердости и технологичности. Эти обстоятельства послужили основанием для разработки и синтеза новых составов ситаллов на основе более прочного соединения -дисиликата лития.
Высокоскоростное воздействие проявляется и в абразивной технике. Назначение и эксплуатационные характеристики абразивного инструмента определяются его структурой, которая характеризуется соотношением объемов шлифовального материала, связки и пор. Большинство стеклосвязок созданы на силикатной основе. Поэтому целесообразно было рассмотреть литиево-силикатные ситаллы в качестве связки для электрокорунда. Однако, следует учитывать возможность рассыпания получаемого материала вследствие возникновения в пограничном слое абразив - ситалл литиево-алюмо-силикатные фаз с низким или отрицательным коэффициентом теплового линейного расширения (КТЛР). Это послужило причиной для создания стеклокристаллического материала лишенного подобного отрицательного свойства. Таким образом, замена использующихся в настоящий момент стеклосвязок на стеклокристаллические с более высокой механической прочностью является перспективным направлением в области применения ситаллизирующихся материалов, а создание по стекольной технологии новых материалов с высокими механическим^ показателями «гсшяетея^о сих пор актуальным и целесообразным.
$Ш
РОС, НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетері ОЭ N»,
Цель работы. Исследование процессов кристаллизации в стеклах, их свойств и создание новых высокопрочных стеклокристаллических материалов на основе дисиликата лития и метабората цинка, работающих в условиях высокоскоростного воздействия.
Для достижения этой цели должны вьшолняться несколько основных требований к свойствам:
1. Прочность на изгиб должна бьпь не менее 200 МПа;
2. Твердость силикатного материала для баллистических испытаний должна
составлять не менее 7-8 ГПа;
3. Стеклокристалличсские борфосфатные материалы должны иметь КТЛР не более
100-1071/С.
Достижение этих свойств может быть обеспечено направленным изменением химического состава и структуры материала В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
1 Изучить температурно-временные условия получения стеклокристаллических
материалов на основе дисиликата лития;
2 Осуществить всестороннее исследование структуры и свойств полученных стекол
и ситаллов с привлечением комплекса современных методов; провести
сравнительные с карбидом бора баллистические испытания, имитирующих условия
эксплуатации защитных пластин при высокоскоростном воздействии;
-
Разработать состав стекла и стеклокристаллического материала на основе метабората цинка с добавлением метафосфата натрия; установить влияние температуры на координационные превращения атома бора в рассматриваемых стеклах; выявить температурно-временные условия образования кристаллических фаз и их химический состав;
-
Исследовать физико-химические свойства стекол и стеклокристаллических материалов на основе метабората цинка, рассмотреть возможность их использования в качестве ситаллизирующихся стеклосвязок для электрокорунда при изготовлении абразивного инструмента.
Научная новизна:
-
Установлено влияние добавок оксидов титана (ТЮ) и фосфора (Р205), фторидов кальция (CaF2) илития (IiF) насостав кристаллической фазы после термообработки в литиево-силикатной системе. Выявлено, что увеличение времени выдержки на первой стадии ситаллгоации приводит к повышению дата дисиликата лития за счет соответствующего снижения количества метасиликата лития и (3-кварпа в продуктах кристаллизации.
-
Определены оптимальные температурно-временные условия получения ситаллов на основе дисиликата лития, обеспечивающие им высокие прочностные характеристики.
-
Установлено, что нагревание 20 до 450С образцов стекал от натриево-боратной системы, активированных кобальтом, в области длин волн от 0,4 до 0,7 мкм
приводит к возрастанию коэффициента поглощения и смещению равновесия между четырех- и трехкоординированным бором в сторону последнего. 4. Впервые синтезированы стекла в системе NaP03 — Z11B2O4. В системе выявлено наличие двух областей стеклообразования: одна ограничена концентрациями метафосфата натрия от 0 до 33 мол %, другая - от 60 до 80 мол. %. Экспериментально подтверждена возможность получения стеклокристаллических материалов на основе NaPOj — &1В2О4 при введении различных алюминий-содержащих (оксид, мета- и ортофосфат) добавок. Выявлено, что основными кристаллизующимися фазамиявляются ВРО4 и бораты цинка Практическая ценность.
-
Впервые получены образцы ситаллов на основе дисиликата лития с высокими техничесикими характеристиками: предел прочности при изгибе 200-400 МПа, объемная твердость 8-9 ГПа и термостойкость - 400С.
-
Полученные стеклокристаллические материалы обеспечивают конкурентную способность при защите от пуль ЛПС с сердечником из мягкой стали, по сравнению с применяемым карбидом бора.
-
На основе стекол в системе Z11B2O4—NaP03 разработаны новые составы стеклокристаллических материалов с низкой температурой синтеза (менее 1100С), коэффициентом линейного теплового расширения от 60 до 80-Ю-7 град"1 и растекаемостью на электрокорунде при температуре 825С.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на VIII Всероссийском совещании по Высокотемпературной химии силикатов и оксидов (СПб, 2002 г); Штур всероссийского конкурса по специальности 25.08.00 Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов (Белгород, 1999 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы четыре работы (2 статьи, 2 тезисов докладов).
